機載維護系統仿真激勵環境的設計

呂鎮邦1，程玉杰，張選剛1，丁 宇

(1.航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068； 2.北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院，北京 100191)

機載維護系統(Onboard Maintenance System,OMS)經過多年的發展以及許多新技術的應用，其復雜程度越來越高，開發周期越來越長[1]。早期開展機載維護系統的測試與驗證工作對于系統的設計與開發至關重要[2]。國內由于仿真驗證工作起步較晚，驗證工作基本依賴實物設備互連驗證，導致項目的開發周期因為硬件設備的缺失和仿真激勵環境的不成熟而大量推遲[3-4]。同時，由于機載維護系統的測試與驗證需要大量的歷史仿真數據、故障模型、測試數據提供支持，所以機載維護仿真激勵環境的開發對于機載維護系統的研制意義重大。本文針對機載維護系統仿真激勵環境的開發與設計提出了初步的設計方法，用于指導今后機載維護系統仿真激勵環境的設計與實現。

1 系統概述

機載維護系統仿真激勵環境由維護系統激勵環境平臺硬件環境、OMS成員系統仿真軟件和OMS系統輔助開發工具集組成，主要完成成員系統仿真數據的定義，模擬飛機外部成員系統運行環境，提供成員系統狀態數據、故障數據、失效數據和構型數據仿真[5]。同時，在成員系統仿真軟件中實現ARINC624協議和ARINC615協議，模擬成員系統地面測試行為和數據加載行為，實現成員系統設備靜態分析數據和動態功能行為方式的綜合仿真環境。

機載維護系統仿真激勵環境通過系統輔助開發工具集開發故障診斷模型，定義狀態監控參數和用戶自定義事件，配置地面測試數據、數據加載數據、設備構型數據，工具集生成的仿真數據能夠通過成員系統仿真軟件顯示。仿真激勵環境能夠顯示設備故障模式，關聯故障數據，用戶可以通過仿真界面注入故障數據，配合機載故障診斷應用實現故障報告功能；仿真激勵環境能夠顯示系統參數數據、趨勢數據、超限數據，用戶可以通過界面設置參數工程單位和數值，配合機載狀態監控應用實現設備監控功能；仿真激勵環境能夠顯示設備構型數據，用戶可以通過界面設置設備構型數據，配合機載構型管理應用實現設備構型報告功能；仿真激勵環境能夠模擬設備端ARINC615協議接口，配合機載數據加載應用實現設備數據加載功能；仿真激勵環境能夠模擬設備端ARINC624協議接口，配合機載交互式維護應用實現地面測試功能，實現設備仿真、總線仿真、數據仿真和腳本仿真。

2 系統組成

機載維護系統仿真激勵環境由仿真軟件和硬件環境平臺組成，其組成結構如圖1所示。

圖1 組成結構圖

(1) 硬件組成。機載維護系統仿真激勵環境的各硬件包括：

① 燃油系統仿真設備1套；

② 導航系統仿真設備1套；

③ 飛控系統仿真設備1套；

④ 電源系統仿真設備1套；

⑤ 發動機系統仿真設備1套；

⑥ 數據轉換設備1套。

(2) 軟件集成。機載維護系統仿真激勵環境的各應用軟件包括：

① 故障方程建模工具：定義成員系統的故障模型，作為仿真器軟件的輸入故障模式，配合機載中央維護軟件實現故障報告功能[6]。

② 監控數據配置工具：定義成員系統的飛機狀態監控參數和事件數據捕獲邏輯，作為仿真器軟件的輸入飛行參數，配合機載飛機狀態監控軟件實現飛機狀態監控功能。

③ 地面測試建模工具：定義成員系統設備測試項配置信息，包括抑制條件、干擾信息、測試執行步驟、測試頁面信息等內容，作為仿真器軟件的地面測試配置模型，配合機載地面測試軟件實現地面測試功能。

④ 可加載軟件生成工具：軟件為航空公司、OEM、成員系統提供機上加載軟件的生成能力，所生成的FLS軟件應符合A665-3規范。

⑤ 腳本生成工具：收集接口控制文檔(Interface Control Document，ICD)配置信息，根據仿真模型數據和用戶自定義仿真控制邏輯自動生成仿真執行腳本。

⑥ OMS成員系統仿真軟件：執行仿真數據配置和發送功能，為OMS提供成員系統故障數據、歷史故障數據、構型數據、超限數據和事件、啟動測試數據和生命周期數據，實現成員系統設備仿真、總線仿真、數據仿真和腳本仿真。

3 系統功能架構設計

機載維護系統仿真激勵環境軟件共包含2個主要的功能模塊，分別為OMS系統輔助開發工具集和OMS成員系統仿真軟件，OMS系統輔助開發工具集和成員系統仿真軟件分別獨立運行于不同的PC機，OMS系統輔助開發工具集產生仿真數據，OMS成員系統仿真軟件加載由OMS系統輔助開發工具集產生的仿真數據用于成員系統激勵數據的產生。OMS成員系統仿真軟件能夠為機載維護系統的實現與驗證提供數據支持，實現機載維護功能的前期驗證工作。OMS成員系統仿真軟件包含的基本功能模塊有系統管理、數據管理、模式管理、腳本仿真、仿真管理、歷史故障仿真、地面測試仿真和數據加載仿真。其功能架構如圖2所示。

(1) 系統管理。

系統管理實現5個成員系統的靜態配置仿真信息的管理，包括成員系統信息管理、設備管理、總線管理、消息管理、數據域管理的功能。

圖2 系統功能架構圖

(2) 數據管理。

數據管理主要完成5個成員系統各種仿真數據的管理功能。數據管理模塊由BIT數據管理、狀態參數管理、故障數據管理、構型數據管理、地面測試配置數據管理和加載數據配置管理模塊組成[7]。

(3) 模式管理。

模式管理負責兩種不同仿真模式之間的切換。在界面注入模式下，故障模式的觸發由用戶通過軟件提供界面進行操作，用戶編輯故障模式相關的仿真數據，觸發相應的故障模式；設置狀態監控功能(Aircraft Condition Monitor Function，ACMF)事件記錄條件和狀態參數，實現狀態監控數據的采集和記錄功能。在腳本注入模式下，用戶輸入腳本命令或者執行腳本文件，完成故障的注入和狀態監控事件的觸發以及記錄數據值的設置。

(4) 腳本仿真。

腳本仿真主要提供多樣化的成員系統仿真激勵環境，滿足復雜故障模式的仿真要求。仿真腳本語句通過解釋分析，調用仿真數據驅動接口提供的函數執行功能，負責將腳本命令轉換為可執行的仿真API命令。

(5) 歷史故障仿真。

歷史故障仿真主要完成對成員系統設備歷史故障響應功能行為的模擬，向機載維護系統應用發送設備歷史故障信息。歷史故障仿真由歷史故障管理、歷史故障請求響應、總線仿真接口模塊組成。歷史故障管理子模塊完成歷史故障數據的讀取、存儲。歷史故障請求響應模塊負責成員系統端機載維護應用歷史故障請求的解析和歷史故障數據的封裝。總線仿真接口負責監聽數據接收端口的歷史故障請求信息，同時向機載維護應用返回設備歷史故障數據。

(6) 地面測試仿真。

地面測試仿真主要完成對交互式維護中成員系統的功能行為進行模擬，向交互式維護應用發送地面測試結果信息。地面測試仿真功能由地面測試配置管理、ARINC624協議管理、總線仿真接口模塊組成。地面測試配置管理子模塊完成地面測試配置數據的讀取和顯示。ARINC624管理子模塊完成成員系統和交互式維護應用之間的ARINC624協議的管理和命令數據交換工作。ARINC624管理子模塊實時偵聽數據總線，接收交互式維護應用發送的成員系統維護自檢指令。根據用戶在界面上選取的測試狀態組織ARINC624指令發送給交互式維護應用。總線仿真接口負責監聽數據接收端口的地面測試數據信息，同時向機載交互式維護應用返回成員系統地面測試狀態信息。

(7) 數據加載仿真。

數據加載仿真主要完成對符合ARINC665-3標準的外場可加載軟件(Field Loadable Software,FLS)的加載，實現將FLS的相關文件下載到成員系統設備端。數據加載仿真功能由配置管理模塊、ARINC615和ARINC615A協議管理模塊、總線仿真接口模塊組成。配置管理子模塊完成加載配置數據的讀取和顯示。ARINC615、ARINC615A協議管理子模塊完成成員系統和數據加載服務之間的ARINC615、ARINC615A協議的管理和命令數據交換工作；實時偵聽數據總線，接收數據加載服務發送的數據加載請求指令；成員系統與數據加載服務間的通信采用TFTP協議。總線仿真接口負責監聽數據接收端口的數據加載信息，同時向機載數據加載代理應用返回成員系統數據加載狀態信息。

(8) OMS系統輔助開發工具集。

故障方程建模工具主要完成成員系統供應商定義的故障信息收集，同時生成故障報告數據庫和構型數據庫，生成的故障報告數據庫和構型數據庫可以直接加載到機載應用，配合機載維護系統軟件實現故障報告功能和構型報告功能，故障方程由故障邏輯和故障方程屬性兩部分構成[8]。故障邏輯決定是否觸發，故障方程屬性描述故障的靜態維護信息，主要提供維護記錄使用。

監控數據配置工具主要完成成員系統供應商定義的狀態參數、參數組信息的收集和用戶自定義事件的建立，同時生成狀態監控數據庫，生成的狀態監控數據庫可以配合機載維護系統軟件實現狀態監控功能和參數記錄功能。監控數據定制工具需要處理的監控數據包括系統參數、超限數據、趨勢數據、飛機生命周期數據、用戶自定義事件。監控數據定制工具根據不同類型的數據建立不同的配置信息，記錄監控數據的屬性和觸發記錄條件。

可加載軟件生成工具為航空公司，成員系統提供加載軟件的能力，能夠生成符合A665-3規范要求的可加載數據。可加載軟件生成工具可錄入加載數據信息，包括目標機信息、產品標識信息、供應商編碼等配置信息內容。

地面測試建模工具主要完成成員系統供應商定義的地面測試配置信息的收集，同時生成地面測試數據庫，生成的地面測試數據庫能夠直接加載到機載應用，配合機載維護系統軟件實現地面測試功能。地面測試建模工具支持用戶對設備進行測試屬性配置，滿足用戶多樣化測試需求。

腳本生成工具主要完成將故障方程建模工具、數據監控配置工具、可加載軟件生成工具和地面測試建模工具生成的數據庫文件和用戶仿真控制邏輯轉化為可執行的腳本，模擬復雜OMS仿真激勵過程，輔助實現OMS功能測試。

4 系統關鍵技術設計

由于飛機系統的實時性和時序性要求，仿真管理控制整個數據發送的時序特性，作為整個系統的關鍵技術影響系統性能和仿真驗證的結果。仿真管理模塊由頻率控制和總線數據監控模塊組成。仿真管理主要完成各個成員系統設備對維護系統機載應用的仿真數據支持和交互式功能操作支持。在仿真數據支持方面，仿真管理主要向機載應用提供BIT數據服務、狀態監控數據服務、故障數據服務、構型報告數據服務功能，仿真管理根據設備的總線數據類型完成數據的發送，目前支持的總線類型有ARINC429、AFDX總線。在交互式功能操作方面，仿真管理主要向機載地面測試應用和數據加載應用提供交互式功能服務，模擬設備地面測試和數據加載的功能行為[9]。

4.1 頻率控制

頻率控制主要是針對不同頻率的周期性數據發送需求采取的發送頻率控制策略。由于飛機系統復雜度高，設備種類繁多，不同設備的數據發送頻率不同，數據時序相關性非常高，同時設備對數據實時性有特殊要求，再加上總線板卡數量有限，為了有效降低總線數據載荷，防止數據阻塞，有效降低系統響應時間，保證數據實時性，仿真激勵環境采取輪叫調度(Round-Robin Scheduling)頻率控制模式，即各個調度周期占用CPU時間相同，各個仿真設備依次輪流的方式傳輸周期性仿真數據幀，在同一調度周期內，發送數據的設備之間沒有優先級概念，各個數據幀的時間分配如圖3所示。假設當前仿真工具模擬了3個頻率為20 Hz的數據幀，按照輪叫調度方式發送，其中數據幀1需占用10 ms的發送時間，數據幀2占用7.5 ms，數據幀3占12.5 ms，發送時，仿真工具的調度周期為50 ms，在每個調度周期內，按照先后順序分別發送數據幀1、數據幀2和數據幀3。

圖3 數據時序圖

仿真數據發送頻率控制如圖4所示。輪叫調度頻率控制模式是通過一個模擬定時器實現，定時器按照定時周期發送調度信號，定時周期為所有待發送消息的發送周期的最大公約數。這樣可以保證每個消息總會在每N個定時周期接收到調度信號，N等于該消息發送周期與定時周期的倍數。消息在接收到調度信號后被喚醒，執行數據發送，然后休眠，處于等待狀態，直到下個周期到來時被再度喚醒。

圖4 仿真數據發送頻率控制圖

4.2 總線數據監控

總線數據監控功能主要完成設備交互式功能中網絡數據的監控。總線數據監控功能由配置文件加載、偵聽事件注冊、網絡數據接收、消息提取、歷史故障響應事件、地面測試響應事件、數據加載響應事件組成。模塊實時偵聽總線數據，當收到網絡數據請求后，提取消息內容，分析總線數據指令，根據數據指令的內容，啟動相應的設備事件響應操作，完成設備交互式功能行為，模擬成員系統設備的歷史故障仿真行為、地面測試仿真行為和數據加載仿真行為。

4.3 仿真激勵環境應用結果

按照機載維護系統的仿真驗證要求，通過仿真激勵環境對燃油系統、導航系統、飛控系統、電源系統和發動機系統的設備進行了驗證。仿真驗證結果數據如表1所示。

表1 仿真驗證結果表

仿真激勵環境區別于專用設備驗證方式，采用通用設備驗證方式和統一的數據界面管理方式，能夠同時對多個系統的故障診斷、狀態監控、構型報告、數據加載和交互式維護等功能同時進行驗證，節省了驗證設備的數量。軟件界面如圖5所示。在交互式維護功能驗證中，仿真激勵環境采用多線程處理機制，能夠開展不同設備并行測試功能驗證，改變了傳統單一測試執行的弊端。

圖5 軟件界面圖

5 結束語

本文針對機載維護系統仿真激勵的設計進行了詳細的說明，軟件通過仿真平臺支持工具包開發仿真數據和機載診斷模型，模擬各個成員系統與機載維護應用之間的交互方式，為機載維護應用的開發提供技術支持和前期驗證工作，能夠加快機載維護應用的開發進度，有利于提高成員系統仿真驗證的技術水平，為國內未來民用型客機OMS的研制奠定良好的技術基礎。